振動型致動器的驅動裝置的制作方法

專利名稱：振動型致動器的驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及振動型致動器的驅動裝置，該致動器例如是使用通過將交變信號施加到機電能量轉移單元而在振動件上產生的振動能量來輸出驅動力的振動型電動機，并且涉及使用振動型致動器的設備和圖象形成裝置，更具體地，涉及將振動型致動器用于在電子照相圖象形成裝置中需要高轉速精度的部件、如復印機中作為圖象載體的感光鼓的裝置。
傳統上，振動型制動器，尤其是振動型電動機的速度，如同其他電動機那樣是由比例加積分控制或積分控制方式控制的。
例如，在日本專利申請公開文獻No.7-131987中，如圖5所示，作為其相位被一個90度移相器移相90°的交變信號的AC電壓由輸入功率放大器39及41經由匹配線圈42和45及驅動電極43和46至壓電元件56，后者構成具有兩相驅動部分的振動件。一個及另一驅動信號也被用來檢測振動狀態。這兩個信號的和經電容器44及47輸入到差分放大器50的一個輸入端，而來自壓電元件56的輸出端的信號(地電壓)被輸入到差分放大器50的另一輸入端。差分放大器50輸出轉速信息。差分放大器50的輸出經由整流器51被輸入到另一差分放大器52的輸入端，而來自目標速度設定裝置53的目標速度值被輸入到差分放大器52的另一輸入端。差分放大器52將速度差輸入到一個積分器55。
加法器54將來自差分放大器52的差值及來自積分器55的積分值相加，使用和值來調節由電壓控制振蕩器38輸出的振動型電動機的驅動頻率，由此控制速度。
當使用振動型電動機來驅動復印機的感光鼓時，印制精度受移動距離，即感光鼓表面轉動角誤差的影響。在該現有技術中，如果速度受干擾等的影響而變化，穩態速度誤差(ΔV)可被最后作為速度偏差被消除，其如圖4A所示；但由速度積分獲得的位置尺寸穩態誤差(Δ×)不能被消除，其如圖4B所示。這就是，由振動引起的位置偏移不能被校正(當在兩點之間運動期間速度變化時，不能在預定時間中獲得目標位置，即使當速度回到目標速度也如此)。作為其結果，不能執行高質量的印刷。
更具體地，在單色復印中，在轉移位置上轉移給轉移件的感光鼓上的色劑圖象不能在正確位置轉移到轉移件上。
在彩色復印中，當攜帶各彩色色劑圖象(四色)的各感光鼓并列設置時，在不同位置轉移到轉移件上的色劑圖象引起彩色誤配準。
此外，在上述現有技術中，以模擬方式進行比例加積分控制，由此不能作高精度控制。
本申請的一個方面是提供一種振動型致動器的驅動裝置，它能通過使用簡單設計及振動型電動機的高速響應特性消除位置穩態誤差。
本申請的一個方面是提供一種振動型致動器的驅動裝置，它能通過使用簡單設計及振動型電動機的高速響應特性消除速度及位置的穩態誤差。
本申請的一個方面是提供一種具有振動型制動器的裝置，它能驅動待驅動件，而無速度及位置的任何穩態誤差。
本申請的一個方面是提供一種圖象形成裝置，當使用振動型致動器作驅動源驅動感光鼓及類似部件時能獲得高質量圖象。
本申請的一個方面是提供振動型致動器，用于對機電能量轉換元件施加周期信號并激勵振動件，由此獲得振動力，它包括檢測裝置，用于檢測振動型致動器的驅動狀態；計算裝置，用于計算由致動裝置獲得的驅動狀態與預定狀態之間的差；第一積分裝置，用于對計算裝置獲得的值積分；及第二積分裝置，用于對從第一積分裝置獲得的值積分；其中根據至少由第二積分裝置輸出的值來調節供給機電能量轉換元件的能量。
本申請的一個方面是提供一種振動型致動器的驅動裝置，它能通過在高速時高精度的比例積分控制振動型致動器的速度、加速度、位置及振動狀態。
本申請的一個方面是提供一種振動型致動器的驅動裝置，用于對機電能量轉換元件施加周期信號以激勵振動件，由此獲得驅動力，它包括檢測裝置，用于檢測振動型致動器的驅動狀態；計算裝置，用于計算由檢測裝置獲得的驅動狀態與預定狀態之間的差；第一積分裝置，用于對計算裝置在第一定時上輸出的值積分；第二積分裝置，用于對計算裝置在第二定時上輸出的值積分，并在每預定數目積分操作時復位積分值；寄存器，用于在每次第二積分裝置復位的緊前面保持第二積分裝置的積分值；及加法裝置，用于使第一積分裝置輸出值及寄存器輸出值以預定比例相加；其中根據加法裝置的輸出來調節供給機電能量轉換元件的能量。
從以下結合附圖的描述將會闡明本發明的上述及另外的目的、特征和優點。


圖1是表示本發明第一實施例中控制的框圖；圖2是表示用于本發明第一實施例中的圖象形成裝置的示意圖；圖3是表示圖2中感光鼓驅動裝置的示意圖；圖4A、4B、4C及4D是用于解釋速度偏差及位置偏差的曲線圖；圖5是表示傳統振動型致動器控制的框圖；圖6是表示圖1中速度差檢測器的電路圖；圖7是表示圖1中積分器的電路圖；圖8是表示圖1中脈沖發生器的電路圖；圖9是由圖8中脈沖發生器輸出的脈沖的時序圖；圖10是表示圖1中升壓裝置的電路圖；圖11是振動型電動機的頻率及速度之間關系的曲線圖；圖12是表示根據本發明第二至第四實施例的控制裝置的框圖；圖13是表示本發明第二實施例的微計算機操作的流程圖；圖14是表示本發明第三實施例的微計算機操作的流程圖；圖15是表示本發明第四實施例的微計算機操作的流程圖；圖16是表示圖1中控制裝置應用于圖2的圖象形成裝置的框圖；圖17表示本發明第五實施例的框圖；圖18是圖17中振動型致動器的側視圖；圖19是表示圖18中壓電元件的平面圖；圖20是表示圖17中積分裝置，計數器及寄存器的操作的時序圖；圖21是表示圖17中的輸出功率放大裝置的框圖；圖22是表示圖17中四相脈沖發生裝置的框圖；圖23是表示圖22中操作的時序圖；圖24是表示圖22中脈寬設定裝置的框圖；圖25是表示圖24中操作的時序圖；圖26是表示本發明第六實施例的框圖；圖27是表示本發明第七實施例的框圖。
(第一實施例)圖2表示根據本發明第一實施例的彩色圖象形成裝置的總體的示意圖。將參照該圖2來描述彩色圖象形成裝置。
在圖2中，閱讀器部分的組成為CCD101；其上安裝CCD101的襯底；印機處理器312；玻璃原件板301；原件供給器302；光源303及304，用于照射原件；反射器305及306，用于使來自光源(303,304)的光會聚并將光照向原件；鏡307至309；透鏡310，用于將來自原件的反射及投影光會聚到CCD101上；支架310，用于容納光源(303,304)，反射器(305,306)及鏡307；支架315，用于容納鏡(308,309)，及接口313與另外部件，如IPU。
原件的整個表面通過分別以速度V及V/2在垂直CCD101的電掃描(主掃描)方向上機械地移動支架314及315被掃描(副掃描)。
在玻璃原件板上的原件反射來自光源(303,304)的光，反射光被引導到CCD101并轉換成電信號。電信號(模擬圖象信號)被輸入到圖象處理器312并轉換成數字信號。轉換的信號受到處理，傳送到印機部分，用于形成圖象。
現在來解釋印機部分的布置。
在圖2中，印機部分包括M(深紅)圖象形成裝置317,C(藍綠)圖象形成裝置318,Y(黃)圖象形成裝置319，及K(黑)圖象形成裝置320。因為這些裝置具有相同布置，僅對M圖象形成裝置317進行解釋，將省略對其余圖象形成裝置的說明。
在M圖象形成裝置317中，在用作圖象載體的感光鼓342的表面由來自LED陣列210的光形成一個潛象。主充電裝置321使感光鼓342表面充電到預定電位，以準備形成潛象。顯影裝置322使感光鼓342上的潛象顯影以形成一個色劑象。顯影裝置322包括一個套筒345，用于施加顯影偏壓及顯影圖象。在一個用于傳送轉移件的閉合轉移件傳送帶333下方的轉移充電裝置323放電并將感光鼓342上的色劑圖象轉移到轉移件傳送帶333上的記錄紙張或類似物上。在該第一實施例中，因為高轉移效率未設置傳統使用的除塵器，但也可設置它。
現在來描述在例如記錄紙上形成圖象的過程。堆放在紙盒(340,341)中的記錄紙張被取紙滾子(339,338)一個接一個地取出，并由供紙滾子(336,337)供到轉移件傳送帶333上。供入的紙張被吸引充電裝置346充電。傳送帶滾子348驅動傳送帶333，與吸引充電裝置346一起對記錄紙張充電，及將記錄紙張吸引到轉移件傳送帶333上。前端傳感器347檢測轉移件傳送帶333上記錄紙張的前端。前端傳感器的檢測信號從印機部分傳送到彩色閱讀器部分，并用作從彩色閱讀器部分將視頻信號傳送到印機部分的副掃描同步信號。
記錄紙張被轉移件傳送帶333傳送，及以圖象形成裝置317至320中的M,C,Y及K的次序在紙張表面形成色劑圖象。通過K圖象形成裝置320的記錄紙張被電荷清除裝置349除去電荷，以便易于從轉移件傳送帶333上分離紙張，然后紙張從轉移件傳送帶333上分離開來。
分離充電裝置350防止在把記錄紙張從轉移件傳送帶333分離時受分離放電的圖象干擾。分離的記錄紙張被預固定充電裝置(351,352)充電，以便補償色劑粘附強度及防止圖象干擾，及在色劑圖象被固定裝置334熱固定后排放到排放盤335中。
一個公知的振動型電動機用作使感光鼓(342-345)及轉移件傳送帶滾子348轉動的驅動電動機。
對振動型電動機施加AC信號，它用作壓電元件的交變信號，該壓電元件用作固定在例如構成振動件的彈性件上的機電能量轉換元件，用于在彈性件表面產生圓形或橢圓形運動，及使與彈性件壓觸的接觸件與振動件相對運動。在使用定子作為振動件及轉子作為接觸件的另一類型的振動型電動機中，設置在轉子旋轉中心的輸出軸與轉子相連接，并從該輸出軸提取輸出。第一實施例使用具有輸出軸的該振動型致動器。
圖3是表示感光鼓及振動型電動機之間連接狀態的示意圖。在圖3中，轉子編碼器8將振動型電動機9輸出軸的轉角輸出為脈沖信息。感光鼓10連接到振動型電動機9的輸出軸。
圖1是表示根據本發明第一實施例的振動型電動機的控制的框圖。圖16表示其中使用圖1中所示一個振動型電動機的驅動裝置來驅動圖2的圖象形成裝置中的多個感光鼓及轉移件傳送帶。以下將描述圖1中的框圖。
在圖1中，速度差檢測器1來檢測并輸出速度指令值及驅動速度之差值，后者是根據來自與振動型電動機6的輸出軸相連接的旋轉編碼器7的脈沖信息獲得的。圖6表示速度差檢測器的一個例子。圖6中所示的速度差檢測器是由包括D觸發器11及12的同步邏輯電路形成的。當D觸發器12的輸入D為高電平及其輸出Q為低電平時，來自D觸發器12的輸出作為來自編碼器輸入脈沖的前沿被檢測。在此時，僅在一個時間周期中，AND的輸出保持高電平。
當AND14的輸出為高電平，即完成了從編碼器脈沖前沿的一個時鐘周期時，目標速度數據被加載到16位向下計數器15中。在其余時間中，16位向下計數器15向下計數。當來自編碼器的一個脈沖周期在以目標速度工作期間被時鐘計數時，目標速度數據設置計數值。目標速度數據V由下式給出V=fc/(N×Ep)-1式中fc為時鐘頻率[Hz]，N為目標轉速[1/s]，及Ep為每轉的輸出編碼器脈沖數[P/R]。例如，當目標轉速為1[1/s]時，時鐘頻率為10[MHz]，及電動機每轉輸出2000脈沖時，目標速度數據為4,999。
計數器15的值在編碼器邊緣檢測后一個時鐘周期被寫入到16位寄存器16。當該數據正寫入到寄存器16中時，目標速度還未加載到計數器15中，及在編碼器脈沖沿檢測緊前面的計數值被寫入。
寄存器16的輸出端Q輸出寄存值的反相數據，編碼器前沿及下一前沿之間的時間被計數，寄存器16輸出值為Te×fc-v-1式中v為目標速度數據，Te是編碼器脈沖輸出周期[秒]，及fc是時鐘頻率[Hz]。
再參照圖1，以該方式檢測的速度差數據被輸入到第一積分器2中。圖7是表示第一積分器2的內部結構。在第一實施例的控制電路中，積分器2和積分器3的積分時間常數被用作可調節的控制參數。
在圖7中，當向下計數器的值變為0時，8位向下計數器16’的進位輸出C改變成高電平。然后積分時間常數數據被加載并執行向下計數。通過該操作，向下計數器16’構成使用積分時間常數作為周期的環形計數器。
向下計數器16’的進位輸出C輸出一個信號，它僅在環形計數器一個周期中一次地在一個時鐘周期期間保持高電平。
16位加法器17將16位輸入A及輸入B的數據相加，并從輸出端S輸出和數據。輸出數據被輸入到16位寄存器18。
在寄存器18中，在由向下計數器輸出的積分時間常數的定時上數據被加載。其結果是，相應于積分時間常數的積分數據從寄存器18的輸出Q輸出。
應指出，該第一實施例也需要在驅動振動型電動機前在積分器中使積分數據初始化的電路，及設置積分結果上、下限的裝置，以防止積分數據溢出，但為了描述簡便起見，省略了對它們的說明。
再參照圖1，第二積分器3具有與第一積分器2相同的內部結構。第二積分器3使用與第一積分器分開設置的積分時間常數對第一積分器2積分了的數據進行積分。
加法器37是一個與圖7中所示加法器17相同的16位加法器。該加法器37將由第一積分器2對速度差數據積分獲得的數據及由第二積分器3對來自第一積分器2的數據積分獲得的數據相加。由加法器37輸出的數據用作控制變量。
第一實施例使用提供給振動型電動機的AC電壓頻率作為控制振動型電動機速度的控制變量。
圖11表示振動型電動機的轉速與供給振動型電動機的AC電壓的頻率的函數關系。如圖11所示，轉速在振動型電動機的諧振頻率fr時呈現峰值。因為該特性在頻率大于諧振頻率fr時是平滑變化的并相對容易地被控制，通常在頻率高于諧振頻率fr的區域中控制轉速。
再參照圖1，脈沖發生器4輸出四相脈沖信號，每個具有由加法器37輸出的頻率及預定脈沖寬度。圖8是表示脈沖發生器4內部結構的電路圖。
在圖8中，16位向下計數器19當計數值為0時由輸出端C輸出一個高電平信號。當該高電平信號從輸出端C輸出時，向下計數器19的加載輸入端LD變為高電平，以對計數器加載頻率數據。此后，向下計數器19執行向下計數。
由于該結構，僅在一個時鐘周期中相對一周期頻率數據保持高電平的信號由向下計數器19的進位輸出端C輸出。
應注意，在第一實施例中的頻率數據實際上是相應于驅動頻率周期的值。因為驅動振動型電動機的交變波形的一個周期相應于向下計數器19的四個周期，頻率數據被設置成振動型電動機驅動頻率周期的1/4。向下計數器19的進位輸出端C作為啟動信號EN輸入到2位計數器20。
計數器20每次對計數器19輸出的進位信號向上計數。計數值重復四種狀態0至3。該計數器的輸出端Q0及Q1被輸入到2至4解碼器21。
當輸入G處于低電平時，解碼器21的所有輸出Q0至Q3變化到低電平。當輸入G為高電平時，根據輸入A及B的組合，輸出Q0至Q3中的任一個變為高電平。
如果輸入A及B均為低電平，輸出Q0變為高電平；如果輸入A為高電平，輸入B為低電平，輸出Q1變為高電平；如果輸入A為低電平，及輸入B為高電平，輸出Q2變為高電平；及如果輸入A及B為高電平，輸出Q3變為高電平。
由于該結構，解碼器21輸出Q0至Q3，以使得當使用由向下計數器19輸出的作為一個周期的頻率數據，進位輸出C變為高電平時，僅在一個時鐘周期期間，它們順序地改變到高電平。
解碼器21的輸出Q0至Q3被輸入到RS觸發器22至25的置位輸入端S。
當每個置位輸入端S為高電平時，RS觸發器22至25的輸出變為高電平，并保持在高電平直至復位輸入R改變到高電平為止。RS觸發器22至25的復位輸入端R接收16位向下計數器26的進位輸出C。
向下計數器26用于確定脈沖寬度，當RS觸發器22至25的輸出Q改變到高電平，即向下計數器19的進位輸出C改變到高電平時，向下計數器19的進位輸出C改變到高電平時，向下計數器26的負載輸入LD接收高電平信號。
在向下計數器26的負載輸入端LD接收高電平信號以后，外部脈沖寬度數據被加載到向下計數器26。該脈沖寬度數據是由控制器(未示出)給出的固定值或預定值。
脈沖寬度數據必須小于上述頻率數據。由于該結構，在任何RS觸發器的輸出改變到高電平后相應于脈沖寬度數據的時間期滿時，向下計數器26改變到高電平。
通過上述操作，來自脈沖發生器的輸出A1,A2,B1及B2輸出各具有頻率數據周期四倍的周期及脈沖寬度相應于脈寬數據的脈沖。圖9是表示輸出A1,A2,B1及B2的時序圖。如圖9中所示，脈沖A1及A2和脈沖B1及B2分別具有180°的相位差。脈沖A1及B1的脈寬和脈沖A2和B2的脈寬分別具有90°相位差。由該脈沖發生器輸出的四相脈沖被輸入到圖1中的升壓裝置5中。
圖10是該開壓裝置內部結構的電路圖。升壓裝置5根據來自脈沖發生器4的脈沖信號產生驅動振動型電動機的兩相交變波形。這兩相交變波形是具有相同頻率的信號，電壓幅值約300Vp-p，及時間相位差為90°。
在圖10中，升壓裝置5包括FETs27a,27b,27c及27d。FETs27a及27b用于產生A相驅動信號，而FETs27c及27d用于產生B相驅動信號。
升壓裝置5還包括具有中心抽頭的變壓器28a及28b。在圖10中，變壓器28a的原邊中心抽頭電極與電源電壓相連接。電源電壓是由例如裝置中的開關調節器產生的DC電壓。
第一實施例的圖象形成裝置使用24V的電源電壓。其余兩個原邊電極分別連接到FETs27a及27b的漏極。FET27a被由脈沖發生器輸出的脈沖信號A1驅動，及FET27b被脈沖信號A2驅動。其結果是，交變電流從變壓器28a原邊側中心抽頭流到其余兩個端子。
在變壓器28a次邊側產生出與變壓器28a的升壓比相應的AC信號，并用作A相交變波形輸出。類似地，產生了B相交變波形輸出。通過使用如圖9所示的四相脈沖信號作為FETs27a至27d的柵極信號，對于圖10輸出的A和B相交變波形形成了90°的時間相位差。由上述電路產生的各相交變信號被輸入到圖1的振動型電動機6。
振動型電動機6由上述原理驅動。如圖3中所示，旋轉編碼器8連接在振動型電動機9的一個輸出軸上。相應于編碼器8轉速輸出的脈沖信號被輸入到圖1中的速度差檢測器1。
上述的結構形成這樣一個反饋環，它使振動型電動機的轉速保持恒定。
在第一實施例中，使用了兩個、即第一和第二積分器2及3。第一積分器2的積分值被直接輸入到加法器37，以消除對目標速度的穩態偏差，如圖4C中所示。由第二積分器對第一積分器2的積分值積分獲得的二重積分值被輸入到加法器37，以消除對目標值的穩態位置誤差。
當圖2中所示彩色復印機中的感光鼓及轉移件傳送帶被振動型電動機驅動時，例如，當轉移件的前端在轉移位置上進入每個感光鼓的咬入口時，負載就加到感光鼓上并使速度下降。其結果是，由速度差檢測器1檢測到速度的下降并由第一積分器2積分。積分值本身允許使用檢測速度作為速度指令值，但不能補償速度下降形成的延遲。
但是，第一積分器2的積分值還由第二積分器3積分，所獲得的二重積分值能補償該延遲。
更具體地，由加法器37輸出到脈沖發生器4的信號在預定時間中使振動型電動機6旋轉到目標轉角，以便消除位置偏差，而將速度也調節到目標速度以消除速度偏差。
這不僅能消除所有感光鼓的速度偏差，而且也可消除在感光鼓上形成圖象時感光鼓對目標值的移動距離的穩態誤差。
當使用兩個積分器的控制系統構成電磁電動機速度控制系統時，閉環傳遞特性相延遲增大并使系統不穩態。
但是，振動型電動機能免于該問題，因為它具有比電磁電動機更高的響應速度。換言之，不使用重轉子的振動型電動機具有比使用重繞組作轉子的電磁電動機的慣性力小的慣性力。此外，由于電磁電動機的繞組是感應部件，磁場產生了時間延遲。相反地，由于振動型電動機由對壓電元件施加電壓產生振動來驅動，它呈現高響應速度。(第二實施例)圖12是表示本發明第二實施例的框圖。
在第一實施例中，控制系統的計算部分由數字電路組成。在第二實施例中，如圖12所示，控制系統是由微計算機實現的。
在第二實施例中，第一積分操作是使用微計算機內部的存儲器A執行的，及第二積分操作是使用存儲器B執行的。圖13是表示微處理機29內部操作的流程圖。現在將參照圖13來描述微計算機的操作。
微計算機執行兩種操作，即在振動型電動機起動時的操作及在起動后速度控制操作。將首先解釋驅動起動操作。
在步驟1中，當接收到外部的振動型電動機驅動指令時，驅動起動。
在步驟2中，在微計算機內部用作第一積分操作存儲裝置的存儲器A的值被設置為零。
在步驟3中，初始值被微計算機內部用作第二積分操作存儲裝置的存儲器B的值代替。
在步驟4中，將由在步驟3中在存儲器B中初始設置的值乘以第二積分裝置的放大倍數K2得到的值確定為頻率指令。該頻率被稱為用作施加于振動型電動機的起動AC電壓的頻率的初始頻率。該初始頻率是以振動式電動機被驅動的振動方式為基礎的，并被設置為高于振動方式中的諧振頻率fr。被確定的頻率指令輸出到圖12中的脈沖發生器4。
在步驟5中，驅動脈沖寬度被指定。驅動脈寬是輸入到圖10中所示每個FETs27a至27d的柵極端子的脈沖寬度，并被設置成不致損壞FETs及變壓器的值。設置的脈沖值保持不變，直到振動型電動機停止時為止。被確定出的脈寬輸出到圖12中的脈沖發生器4。
在步驟6中，驅動電壓被施加到振動型電動機。在以上步驟中，沒有脈沖從柵極電路(未示出)輸出到FETs27a至27d的柵極端子。在步驟6中，脈沖第一次輸出到柵極端子。步驟6中的操作可通過對變壓器28a及28b的初級側供給電源電壓來實現。
在上述步驟后，在步驟7中完成驅動起動操作。
現在將描述控制操作。使用定時器中斷，通過在每預定時間改變施加于振動型電動機的頻率來控制振動型電動機。在步驟8中，產生定時中斷。
在步驟9中，從圖12中的速度差檢測器1取得速度差數據(ΔV)。
在步驟10中，計算A+B并替代入第二積分操作的存儲器B，以便對存儲第一積分操作結果的存儲器A的值進行積分。
在步驟11中，計算A+ΔV并替代入存儲器A，以便執行第一積分操作。在步驟11對于存儲器A計算前在步驟10中執行對于存儲器B的計算，是因為第二積分操作要使用先前定時器中斷確定的第一積分操作的結果來進行。
在步驟12中，使用在其中存儲了積分操作結果的存儲器A及B通過下式來確定驅動頻率，f=K1×A+K2×B式中f是確定的驅動頻率數據，K1是用于第一積分操作結果的控制增益，及K2是用于第二積分操作結果的控制增益。在確定了驅動頻率以后，將確定值輸出到圖12中的脈沖發生器4。
在以上操作時，在步驟13中完成中斷操作，及流程等待產生下一定時器中斷。如果產生了下一定時器中斷，流程返回步驟8，以再控制振動型電動機。該操作被執行直到電動機停止為止。
由于該設計，振動型電動機能類似于本發明第一實施例那樣地受控制，并可獲得如第一實施例中相同的結果。(第三實施例)圖14是表示本發明第三實施例的流程圖。第三實施例除了流程圖外與本發明第二實施例相同。該第三實施例中流程與第二實施例中流程不同的地方僅在于，在步驟12中驅動頻率的確定，因此僅解釋步驟12。
在步驟12中，驅動頻率由式f=K1×A+K2×B+K3×ΔV來確定。
不同于第二實施例的是加入了項K3×ΔV，它作為一個正比單元，以便改善第二實施例的響應特性，及K3為正比增益。
由于振動型電動機被這種方案控制，故可獲得與第一及第二實施例相同的效果，此外可以改善響應特性。(第四實施例)圖15是表示本發明第四實施例的流程圖。類似于第二及第三實施例，使用與圖12中相同的方案來執行控制框圖。
在第一至第三實施例中，振動型電動機的速度是由振動型電動機的頻率操作來控制的。在該第四實施例中，是通過對輸入到脈沖發生器的脈沖寬度數據的操作來控制的。現在參照圖15來描述第四實施例的操作。
微計算機執行兩種操作，即在振動型電動機起動時的操作及在起動后的速度控制操作。現在將首先解釋起動操作。
在步驟1中，當接收到外部的振動型電動機驅動指令時，驅動起動。
在步驟2中，在微計算機內部用作第一積分操作存儲裝置的存儲器A的值被設置為零。
在步驟3中，初始值被微計算機內部用作第二積分操作存儲裝置的存儲器B的值代替。
在步驟4中，將由在步驟3中在存儲器B中初始設置的值乘以第二積分裝置的放大倍數K2得到的值確定為脈寬指令。該脈沖寬度被用作在起動時施加于振動型電動機的AC電壓的脈寬。確定出的脈寬指令被輸出到圖12中的脈沖發生器4。
在步驟5中，驅動頻率被指定。驅動頻率被選擇以滿足以目標速度驅動振動型電動機。能夠滿足地驅動振動型電動機的頻率意味著，能以大脈沖寬度在比目標速度高的速度下使動型電動機轉動并能在目標速度下通過增/減脈沖寬度使其轉動。確定的頻率被輸出到圖12的脈沖發生器4。
在步驟6中，將電壓施加到振動型電動機。在以上步驟中，沒有脈沖從柵極電路(未示出)輸出到FETs的柵極端子。在步驟6中，脈沖第一次輸出到柵極端子。步驟6中的操作可通過對變壓器原邊供給電源電壓來實現。
在上述步驟后，在步驟7中完成驅動起動操作。
現在將描述控制操作。使用定時器中斷，通過在每預定時間改變施加到振動型電動機的脈沖寬度，控制振動型電動機。在步驟8中產生定時器中斷。
在步驟9中，從圖12中的速度差檢測器1取得速度差數據(ΔV)。
在步驟10中，計算A+B并替代入第二積分操作的存儲器B，以便對存儲第一積分操作結果的存儲器A的值進行積分。
在步驟11中，計算A+ΔV并替代入存儲器A，以便執行第一積分操作。在步驟11對于存儲器A計算前在步驟10中執行對于存儲器B的計算，是因為第二積分操作要使用先前定時器中斷確定的第一積分操作的結果來進行。
在步驟12中，使用在其中存儲了積分操作結果的存儲器A及B通過下式來確定脈沖寬度P=K1×A+K2×B式中P是確定的脈寬數據，K1是用于第一積分操作結果的控制增益，及K2是用于第二積分操作結果的控制增益。在確定了驅動脈寬以后，將確定值輸出到圖12中的脈沖發生器4。
在以上操作時，在步驟13中完成中斷操作，及流程等待產生下一定時器中斷。如果產生了下一定時器中斷，流程返回步驟8，以再控制振動型電動機。該操作被執行直到電動機停止為止。
由于該設計，振動型電動機能類似于上述第一及第二實施例那樣地受控制。當振動型電動機由脈寬操作控制時，在該第四實施例中，可考慮如第三實施例中的正比項。
雖然未描述，振動型電動機也可通過施加的兩相AC電壓之間相位差的操作來控制，以代替如以上實施例所述的頻率或脈寬的操作。
在這些實施例中，驅動電路使用邏輯電路或微處理機來控制。但是，實現本發明的裝置并不限于此，本發明可使用所有能確定控制變量的措施，其中使用積分器積分偏差得到的值及積分該積分結果得到的值。
作為檢測振動型致動器驅動狀態的檢測措施，速度可被檢測。另一方式是，振動型致動器的加速度，位置，振動狀態可被檢測，及可獲得對參考值的差并由第一積分裝置積分。(第五實施例)圖17是表示根據本發明第五實施例的振動型致動器驅動裝置的框圖。彩色圖象形成裝置使用圖1中的驅動裝置并具有如圖2所示的整體結構。
圖18是表示振動型致動器一例的環形致動器側視圖。該振動件是由將作為機電能量轉換元件的壓電元件103粘在一個環形彈性件101上構成的。與粘有壓電元件103的表面對立的另一表面用作驅動表面，及具有轉軸(輸出軸)105的轉子102與驅動表面通過加壓裝置(未示出)形成壓接觸。摩擦件104被粘在彈性件101的驅動表面并夾在驅動表面及轉子102之間。
整個壓電元件103是環形的，如圖19中所示，及其表面被分成多個電極。這些電極由兩個驅動電極組(103-a,103-b)組成，及一個傳感電極部分103-c組成。驅動電極組103-a，驅動電極組103-b及傳感電極部分103-c分別被稱為A相，B相及S相。
在圖18所示的振動型致動器中，具有時間相位差90°的AC電壓被供給A及B相，以在彈性件101上產生行進振動波(在彈性件101表面上產生圓或橢圓運動)。振動力通過摩擦件104傳送到與彈性件101壓接觸的轉子102，由此使轉子轉動。
以此方式，振動型致動器通過施加兩個AC電壓相應地轉動轉子102及彈性件107。
圖17中所示的振動型致動器的驅動裝置控制振動型致動器9以使其驅動速度恒定。旋轉編碼器10檢測振動型致動器9的轉速。周期檢測計數器11檢測來自旋轉編碼器的脈沖信號周期。減法器1從相應于由周期檢測計數器11檢測的振動型致動器轉速的值中減去指令裝置(未示出)的速度指令。積分裝置2及3對減法器1的輸出進行積分。
計數器4在預定定時上產生積分裝置3的復位信號。寄存器5根據來自計數器4的信號“進位1”(Carry1)保持積分裝置3的輸出由復位信號定時復位緊前面的值。
加法器6將來積分裝置2的積分輸出，來自寄存器5的輸出及來自指令裝置(未示出)的初始頻率指令相加。四相脈沖發生裝置7根據加法器6輸出的頻率指令及來自指令裝置(未示出)的脈寬指令產生四相脈沖。輸出功率放大裝置8根據來自四相脈沖發生裝置7的輸出產生約0V至200Vp-p的兩相AC電壓輸出。
在圖17的框圖的操作中，當由周期檢測計數器11檢測的振動型致動器9的轉速低于來自指令裝置(未示出)的指令時，來自周期計數器11的輸出較大，因此減法器1的輸出為正。然后，積分裝置2和3的輸出被加法器6加到來自指令裝置(未示出)的初始頻率指令上，作為四相脈沖發生裝置7的指令的脈沖周期(頻率指令)增加，及振動型致動器9的驅動頻率下降。由于該驅動頻率接近于振動型致動器9的諧振頻率，振動型致動器的轉速上升到指令速度。
圖20是表示積分裝置2及3和計數器4操作的時序圖。積分裝置2的積分值是在信號CLK的定時上對減法器1的輸出積分而獲得的。積分裝置3的積分值是在信號CLK2的定時上積分獲得的。
計數器4在信號CLK2的5個周期上輸出一個信號Carry1。當信號Carry1為高電平時，積分裝置3在信號CLK2的前沿時被復位，在復位緊前面的積分值被保持在寄存器5中。
圖21是表示輸出功率放大裝置的框圖。
MOSFET驅動器21驅動MOSFET。例如，如果PAO為低電平時MOSFET驅動器21開通MOS2及關斷MOS1，如果PAO為高電平時，則開通MOS1及關斷MOS2。MOSFET驅動器21使用變壓器T1及T2來提升驅動電壓，并經過線圈L1及L2將高的AC電壓施加給線圈L1及L2。線圈L1及L2與振動型致動器的等效電容器相匹配。
通常，振動型致動器9是以高于振動件101的諧振頻率的頻率范圍驅動的。該頻率實質上在驅動頻率范圍內匹配。例如，該頻率與高于諧振頻率及低于反諧振頻率的頻率匹配，及該振動器振動模式的階被設在主驅動模式的頻率范圍中。
圖22表示四相脈沖發生裝置7的結構。脈沖發生器12根據頻率指令產生四相固定脈寬信號。脈沖寬度設置裝置13及14根據脈寬指令改變固定脈寬信號φ0至φ3的脈寬。
圖23是表示圖22中各單元波形例子的時序圖。如從圖23清楚看出的，φ0至φ3是具有占空比為25％的序貫輸出脈沖，及PAO及PA1為占空比不同于25％的輸出脈沖。
圖24是表示脈寬設置裝置13電路例子的電路圖。該脈寬設置裝置包括向下計數器15,NOR元件16,NOT元件17及22,D觸發器18及AND元件19和20。
當信號Load為高電平時，脈寬指令在信號CLK的前沿時被加載到向下計數器。當信號Load為低電平時，計數器值在信號CLK的前沿時一個接一個地遞減。當計數器值達到0時，信號Carry2改變至高電平，并被NOT元件22反相，以使D觸發器18復位。
圖25是表示各單元波形例的時序圖。與圖23的例不同，φ0及φ2具有37.5％的占空比。信號PAO的脈寬受到信號Carry2的限制，φ0的脈寬被改變。
在第五實施例中，振動型致動器9的轉速受改變其驅通頻率的控制。換一方式，轉速也可通過控制驅動電壓的幅值，類似于改變驅動頻率地被控制，因為在大的驅動電壓時轉速變高。此外，轉速可通過PA及PB之間相位差的控制來控制。
如上所述，圖20是表示積分裝置2及3和寄存器5操作的時序圖。積分裝置2在信號CLK的定時上對來自減法器1的輸出進行積分，而積分裝置3在CLK2的定時上對減法器1的輸出積分。在預定周期即每5個CLK2脈沖信號時，積分裝置3被復位，在復位緊前面的值被存在寄存器5中。由于每次積分值存于寄存器5中，減法器1的輸出被積分四次，如果減法器1的輸出來改變，則將其輸出值四倍的值存于寄存器5中。
更具體地，比例加積分的速度控制可通過由加法器6將積分裝置2及寄存器5的值加上初始頻率指令來實現。
應指出，在第五實施例中，振動型致動器9被用來驅動彩色圖象形成裝置中的感光鼓。但是，振動型致動器9也可使用來使印機印頭架往復操作，驅動硬盤磁盤頭，驅動照相機鏡頭，等。
此外，圖17中的控制電路設計用于每個感光鼓。
在第五實施例中，振動型致動器的速度通過驅動頻率的改變來控制。如公知的，在高驅動電壓時速度增高，及當A與B相之間的相位差變為接近0時速度變低。因此，這些參數可取代頻率來改變。(第六實施例)圖26是表示根據本發明第六實施例的振動型致動器的控制裝置的框圖。振動型致動器9的振動幅值被控制得與來自指令裝置(未示出)的幅值指令一致。
在圖26中，幅值檢測裝置23根據來自檢測振動型致動器9振動的傳感電極(S相)的信號檢測其幅值。A/D轉換裝置24對幅值檢測裝置23的輸出電壓作A/D轉換。
現在來描述第六實施例的操作。
當由A/D轉換裝置24檢測的振動型致動器的振動幅值小于來自指令裝置(未示出)的幅值指令時，A/D轉換裝置4的輸出小，及減法器1的輸出為正。然后，積分裝置2及3的輸出增大。當積分裝置2及3的輸出被加法器6加到指令裝置(未示出)來的初始頻率指令上(未示出)時，作為四相脈沖發生裝置7指令的脈沖周期(頻率指令)增大，而振動型致動器9的驅動頻率下降。由于驅動頻率接近振動型致動器9的諧振頻率，振動型致動器9的轉速增加到幅度指令。(第七實施例)圖27是表示根據本發明第七實施例的振動型致動器的控制裝置的框圖。在第六實施例中，驅動頻率改變，以改變振動幅度。但是，在第七實施例中，驅動電壓的幅度改變。
在第六實施例中的四相脈沖發生裝置7是由加法器6輸出的驅動頻率指令確定的，并接收來自指令裝置(未示出)的脈寬指令。在第七實施例中，四相脈沖發生裝置7接收來自加法器6的脈寬指令。當加法器6的輸出為負時，限值裝置60的輸出為零；當它為正時，限值裝置60直接地輸出該正輸出值。
現在將描述第七實施例的操作。當由A/D轉換裝置24檢測到的振動型致動器的振動幅值大于來自指令裝置(未示出)的幅值指令時，A/D轉換裝置24的輸出大，而減法器1的輸出為負。然后，積分裝置2及3的輸出增加。當積分裝置2及3的輸出被加法器6相加時，對四相脈沖發生裝置7的脈寬指令減小，及輸出功率放大裝置的輸出電壓也下降。因此，該振動型致動器9的幅值減小致接近幅值指令。
權利要求
1.振動型致動器的驅動裝置，用于對機電能量轉換元件施加周期信號以產生振動件的振動，由此獲得驅動力，其特征在于檢測裝置，用于檢測所述振動型致動器的驅動狀態；計算裝置，用于計算相應于由所述檢測裝置獲得的驅動狀態與預定狀態之間的差的值；第一積分裝置，用于對由所述計算裝置計算的值進行積分；第二積分裝置，用于對由所述第一積分裝置獲得的值進行積分；及調節電路，用于根據至少由所述第二積分裝置獲得的值調節施加到機電能量轉換元件的能量。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于所述裝置還包括加法裝置，用于將由所述第一積分裝置獲得的值及由所述第二積分裝置獲得的值相加，及所述調節電路根據該加法裝置的輸出來調節施加給機電能量轉換元件的能量。
3.根據權利要求1或2的裝置，其特征在于所述裝置還包括正比裝置，用于計算與由所述計算裝置獲得的值成正比的項；及加法裝置，用于將由所述第一積分裝置獲得的值、由所述第二積分裝置獲得的值及由所述正比裝置獲得的值相加；及所述調節電路，用于根據所述加法裝置的輸出調節提供給機電能量轉換單元的能量。
4.振動型致動器的驅動裝置，用于對機電能量轉換元件施加周期信號以產生振動元件的振動，由此獲得驅動力，其特征在于檢測裝置，用于檢測所述振動型致動器的驅動狀態；計算裝置，用于計算由所述檢測裝置獲得的驅動狀態及預定狀態之差；第一積分裝置，用于在第一定時上對所述計算裝置輸出的值進行積分；第二積分裝置，用于在第二定時上對所述計算裝置輸出的值進行積分，及其中積分值在每個預定數目的積分操作時復位；寄存器，用于保持在每次復位所述第二積分裝置的緊前面保持所述第二積分裝置的積分值；加法裝置，用于將所述第一積分裝置輸出的值與寄存器輸出的值相加；及調節電路，用于根據所述加法裝置的輸出調節施加給機電能量轉換元件的能量。
5.根據權利要求4的裝置，其特征在于所述加法裝置將所述第一積分裝置及所述寄存器的輸出值以預定的比例相加。
6.根據權利要求1,2,3,4及5中任一項的裝置，其特征在于所述檢測裝置檢測所述振動型致動器的速度、加速度、位置及振動狀態中的任一項。
7.根據權利要求1、2、3、4及5中任一項的裝置，其特征在于所述調節電路改變施加于機電能量轉換元件的周期信號的頻率。
8.根據權利要求1、2、3、4及5中任一項的裝置，其特征在于所述調節電路改變施加于機電能量轉換元件的周期信號的電壓幅值。
9.根據權利要求1、2、3、4及5中任一項的裝置，其特征在于所述調節電路改變施加于機電能量轉換元件的多個周期信號的相位。
10.一種圖象形成裝置，其特征在于所述圖象形成裝置包括由權利要求1、2、3、4及5中任一項確定的所述驅動裝置。
全文摘要
本發明涉及用于振動型致動器的控制裝置。該裝置使第一積分裝置對致動器驅動速度狀態及目標速度狀態之差進行積分,使第二積分裝置對第一積分裝置的積分值積分,并根據第一及第二積分裝置的積分值之和控制周期信號來驅動致動器,由此精確地控制被致動器驅動的運動件的目標速度及位置。
文檔編號H02N2/06GK1226013SQ9812718
公開日1999年8月18日 申請日期1998年12月11日 優先權日1997年12月12日
發明者山本新治, 熱田曉生, 片岡健一, 林禎, 伊藤潤 申請人:佳能株式會社